水胁迫下基于线性规划的灌溉排水协同优化提升可可生物量密度研究

本研究针对气候变化下可可种植面临的水资源管理难题，创新性地将SIMPLE作物模型与线性规划（LP）结合，开发了集成灌溉与排水决策的优化框架。通过分析19,980种环境与政策情景，发现5-10次精准水管理干预可显著提升产量（180 g/m2 ），揭示了相对湿度和温度对生物量积累的非线性影响。该模型为热带农业可持续水资源利用提供了量化工具，发表于《Ecological Informatics》。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，热带经济作物可可（Theobroma cacao）的生产正面临严峻挑战。作为巧克力工业的核心原料，可可支撑着数百万小农户的生计，但其生长对水热条件极为敏感——理想环境下需年降雨1500-2000 mm、温度18-32°C。然而近年频发的干旱与极端降雨导致产量波动，传统经验式灌溉难以应对这种时空异质性。更棘手的是，现有作物模型多聚焦模拟分析，缺乏能指导田间实践的决策工具，而过度灌溉又会引发土壤退化与病害风险。如何通过精准水管理在气候变局中守住"巧克力黄金"的可持续生产底线？这项发表于《Ecological Informatics》的研究给出了创新解法。

来自哥伦比亚的科研团队选择桑坦德省的圣维森特-德尔丘库里（San Vicente del Chucurí）作为研究区，这里集中了哥伦比亚核心可可产区，但降雨年际变异达700-2000 mm。研究构建了LP-SIMPLE耦合模型，通过线性规划将非线性作物生理过程（如辐射利用效率RUE、水分胁迫系数Ks）转化为可优化参数，以180天为周期动态计算灌溉（I_t
）与排水（D_t
）决策。模型输入NASA POWER数据库36年气象数据，结合土壤特性与作物参数，最终评估了74种环境场景与270种管理策略的19,980种组合。

关键方法
研究采用"两步走"技术路径：首先基于SIMPLE模型量化每日生物量增量（BR_t
=Radiation_t
×f(Solar_t
)×RUE×f(CO_2
t
)×f(Temp_t
)×min(f(Heat_t
),f(Water_t
))），其中辐射利用效率校准为0.296 g MJ^-1
；继而建立线性规划目标函数max z=CCh∑(EF_t
×fwater_t
-EF_t
×x_t
^-
)，通过CPLEX_CMD求解器优化水平衡约束（W_t
=1000×(θ_FC
-θ_WP
)×Z_r
）。敏感性分析采用Tukey检验比较不同干预频率的产出差异。

主要结果

3.1 环境交互与决策频率的协同效应
三维响应曲面显示，当相对湿度低于86.96%时，单次灌溉的产量波动达±40%，而5-10次干预可使产量稳定在180 g/m²
（图4）。温度超过24.46°C时，每日可用水（W_t
）与临界耗竭系数（cd=0.3）的平衡成为限制因子，需通过排水防止根系缺氧。

3.2 最优干预频带的确立
配对检验揭示干预频率存在"22.5天法则"：每22.5天（即周期内约8次）的水管理即可获得与每日处理相当的生物量（p>0.05）。这种"少食多餐"策略使蒸散发（ETC_t
=k_c
×ETO_t
）效率提升23%，同时减少30%的水资源浪费。

3.3 高敏感场景识别
在累积温度>4994.63°C（日均27.75°C）且湿度<91.13%的11种场景中，模型输出变异系数达0.38，需特别关注冠层辐射拦截（fSolar_max
）与热胁迫函数f(Heat_t
)的耦合效应。

结论与展望
该研究首次实现了可可水管理的定量优化，突破在于：① 将作物生理模型（如Penman-Monteith方程计算ETO）转化为可操作的线性约束；② 发现中等干预频率（5-10次/季）的"收益拐点"，为资源受限的小农户提供实用方案；③ 确立湿度-温度-辐射的敏感区间预警机制。相较于传统模型如WaNuLCAS，LP-SIMPLE的计算效率提升15倍，更适配实时决策需求。

局限性在于当前版本未整合养分动态与病虫害模块，且RUE设为常量可能低估极端胁迫响应。作者建议下一步开发模型预测控制（MPC）框架，结合物联网传感器实现闭环优化。这项研究不仅为热带作物智慧灌溉提供新范式，其"非线性过程线性化"的方法论对咖啡、油棕等多年生作物的精准管理亦有启示。在气候智慧型农业成为全球共识的今天，此类交叉研究正从实验室走向田间，守护着"从可可豆到巧克力棒"的全产业链韧性。